DE2727920C3

DE2727920C3 - Single bearing induction miniature motor

Info

Publication number: DE2727920C3
Application number: DE19772727920
Authority: DE
Inventors: Wayne Jones Fort Wayne Ind. Morrill
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1977-06-21
Publication date: 1987-01-22
Also published as: DE2727920A1; DE2727920B2

Description

2020

Die Erfindung bezieht sich auf einen einlagerigen Induktionskleinstmotor mit aus nach innen vorstehenden Polen aufgebautem Statorblechkranz, koaxial in der Statorbohrung drehbar gelagertem Rotor und durch die Rotoraußenfläche und Polinnenfläche festgelegten radialen Luftspalten.The invention relates to a single-bearing induction miniature motor with a stator lamination made up of inwardly protruding poles, a rotor mounted coaxially in the stator bore so that it can rotate, and radial air gaps defined by the rotor outer surface and the pole inner surface.

Derartige Induktionsmotoren sind als einphasige oder mehrphasige Induktionsmotoren, beispielsweise Spaltpolmotoren oder Kondensatormotoren bekannt Einlagerige, einphasige, afc Spaltpolmotoren ausgebildete Wechselstrommotoren werden häufig in der Luftfahrt verwendet Ein typisches, uisführungsbeispiel hierfür ist aus der US-PS 32 93 729 (Wayne Jones Morrill) bekannt Diese Kleinstmotoren mit nur einem Lager haben gewöhnlich Luftspaltbreiten von 0,228 mm, gegebenenfalls 0,2541 mm oder mehr; Kleinstmotoren mit Luftspaltbreiten kleiner als 0,203 mm sind bisher nicht bekanntgeworden. *oSuch induction motors are known as single-phase or multi-phase induction motors, for example shaded-pole motors or capacitor motors. Single-bearing, single-phase, AC motors designed as shaded-pole motors are frequently used in aviation . A typical example of this is known from US-PS 32 93 729 (Wayne Jones Morrill). These micromotors with only one bearing usually have air gap widths of 0.228 mm, possibly 0.2541 mm or more; micromotors with air gap widths smaller than 0.203 mm have not yet been reported. *o

Es ist seit langem bekannt, daß eine Verkleinerung, der Luftspaltbreite und eine damit einhergehende Verringerung des magnetischen Widerstandes zu einer Verbesserung der Motorleistung führt, solange eine Verkleinerung der Luftspaltbreite nicht gleichzeitig zu einer Erhöhung der Verluste führt In erster Linie begrenzt der Widerstand die Ausgangsleistung von Induktionskleinstmotoren. Da der aberwiegende Anteil des Stromes in derartigen Kleinstmotoren der Magnetisierungsstrom ist führt eine Verkleinerung des Luftspal- so tes zu einer damit einhergehenden Verringerung des Eingangsstromes. Proportional zu dieser Verringerung des Eingangsstromes werden auch die Kupferverluste (I²R) kleiner. Will man dagegen die Verluste bei ihrem ursprünglichen Wert belassen, dann werden weniger Kupfer (oder gegebenenfalls Aluminium) und Eisen benötigt, so daß eine Kostenersparnis und Motorverkleinerung möglich ist.It has long been known that reducing the air gap width and the associated reduction in magnetic resistance improves motor performance, as long as reducing the air gap width does not simultaneously increase losses. Resistance is the primary factor limiting the output power of micro induction motors. Since the majority of the current in such micro motors is the magnetizing current, reducing the air gap width results in a corresponding reduction in input current. In proportion to this reduction in input current, copper losses (I ² R) also decrease. If, on the other hand, losses are left at their original value, less copper (or aluminum, if necessary) and iron are required, which makes it possible to save costs and make the motor smaller.

Statt dessen kann aber auch bei gleicher Kupfer- und Eisenmenge bzw. -Anordnung der sich bei verriegeltem Motor ergebende Strom und das Drehmoment erhöht und damit ein »steiferer« oder »strammerer« Motor erhalten werden. Aus vorstehendem folgt, daß eine Verkleinerung der Luftspaltbreite zunächst den Wirkungsgrad eines Kleinstmotors erhöhen würde. In der Fachwelt bestand aber Einstimmigkeit darüber, daß eine über die bisher verwendeten und oben angegebenen Luftspaltbreiten hinausgehende Verkleinerung zu einerInstead, however, the current and torque resulting from a locked motor can be increased with the same amount or arrangement of copper and iron, thus producing a "stiffer" or "tighter" motor. From the above it follows that a reduction in the air gap width would initially increase the efficiency of a miniature motor. However, there was unanimity among experts that a reduction in the air gap widths beyond those used previously and specified above would lead to a starken Erhöhung der Polflächen- und Nutenpulsationsverluste führt Diese Verluste würden die durch Einsparung der PR-Verluste gewonnenen Vorteile überwiegen. Wenn nämlich der Luftspalt über die oben angegebenen Maße hinaus verkleinert wird, steigen die Statorpolflächen- und Rotorzahnflächenverluste deswegen an, weil in den Statorpolflächen und Rctorzahnflächen ein magnetischer Fluß großer örtlicher und zeitlicher Frequenz aufgebaut wird. Dieser hochfrequente magnetische Wechselfluß führt zu Wirbelströmen und Hystereseverlusten geringer Eindringtiefe. Der vom Rotor ausgehende magnetische Fluß hat nämlich eine Welligkeit welche 30- bis lOOmal so viele Pole wie Statorpole aufbaut Außerdem ruft der Statorfluß seinerseits Wellen und Oberwellen in den Statorzähnen hervor.a strong increase in pole face and slot pulsation losses. These losses would outweigh the advantages gained by saving on PR losses. If the air gap is reduced beyond the dimensions given above, the stator pole face and rotor tooth face losses increase because a magnetic flux with a high local and temporal frequency is built up in the stator pole faces and rotor tooth faces. This high-frequency alternating magnetic flux leads to eddy currents and hysteresis losses with a low penetration depth. The magnetic flux emanating from the rotor has a ripple which builds up 30 to 100 times as many poles as stator poles. In addition, the stator flux in turn causes waves and harmonics in the stator teeth.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Induktionskleinstmotor derart weiterzuentwickeln, daß er bessere Kennwerte bezüglich des Verhältnisses von Eingangs- zu Ausgangsleistung aufweistThe invention is based on the task of further developing the generic induction micromotor in such a way that it has better characteristics with regard to the ratio of input to output power

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Luftspalte in radialer Richtung etwa 0,025 mm bis 0,152 mm breit sind und das Verhältnis von Luftspaltbreite zu Rotordurchmesser etwa 0,0009 bis 0,005 istThis object is achieved in that, according to the invention, the air gaps in the radial direction are approximately 0.025 mm to 0.152 mm wide and the ratio of air gap width to rotor diameter is approximately 0.0009 to 0.005

Wie oben dargelegt, widerspricht diese Lösung der einhelligen Meinung der Fachwelt, da der Fachmann aufgrund seiner bisherigen Erfahrungen bei üblichen Induktionsmotoren erwarten mußte, daß die Verluste mit kleiner werdendem Luftspalt wegen des größeren Streuflusses erheblich ansteigen. Anmelderseitig durchgeführte Untersuchungen an Kleinst-Induktionsmotoren, insbesondere Spaltpol- und Kondensatorkleinstmotoren haben jedoch ergelben, daß die erwarteten Verluste bei derartigen Kleinstmotoren nicht auftreten.As explained above, this solution contradicts the unanimous opinion of experts, since the expert, based on his previous experience with conventional induction motors, had to expect that the losses would increase considerably as the air gap became smaller due to the larger leakage flux. However, tests carried out by the applicant on miniature induction motors, in particular shaded-pole and capacitor miniature motors, have shown that the expected losses do not occur with such miniature motors.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Luftspaltbreite rt radialer Richtung zwischen etwa 0,051 mm und 0,102 mm und das Verhältnis von Luftspaltbreite zu Rotordurchmesser zwischen 0,0018 und 0,0035. Durch diese Maßnahme wird ein besonders hoher Wirkungsgrad erzieltAccording to a preferred embodiment of the invention, the air gap width rt in the radial direction is between approximately 0.051 mm and 0.102 mm and the ratio of air gap width to rotor diameter is between 0.0018 and 0.0035. This measure achieves a particularly high level of efficiency

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert, in den Zeichnungen zeigtEmbodiments of the invention will now be explained in more detail using the schematic representations, in the drawings

F i g. 1 eine Seitenansicht im Schnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, undFig. 1 is a side view in section of an embodiment of the invention, and

F i g. 2 einen Teil des in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels in vergrößertem Maßstab.Fig. 2 shows a part of the embodiment shown in Fig. 1 on an enlarged scale.

In F i g. 1 ist ein üblicher einlageriger Einphasenwechselstrom-Spaltpolkleinstmotor 10 dargestellt. Der Motor !0 umfaßt ein Motorgehäuse 12, eine Seitenwandung 14 und eine Stirnwand 16. Der Statorblechkranz 18, bestehend aus mehreren übereinandergestapelten, relativ dünnen Lamellen eines magnetischen Materials, ist in einer in der Innenfläche der Seitenwandung 14 des Gehäuses 12 angeordneten Fuge 20 eingesetztIn Fig. 1, a conventional single-bearing single-phase AC shaded-pole micromotor 10 is shown. The motor 10 comprises a motor housing 12, a side wall 14 and an end wall 16. The stator lamination ring 18, consisting of several relatively thin laminations of a magnetic material stacked on top of one another, is inserted into a gap 20 arranged in the inner surface of the side wall 14 of the housing 12.

Von der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 aus erstreckt sich koaxial eine Lagerhülse 22 in den von der Seitenwandung 14 gebildeten Hohlraum. In der Lagerhülse 22 ist eine Welle 24 drehbar gelagert. Ein aus einem Stapel von mehreren dünnen Lamellen aus magnetischem Material gebildeter Rotor 26 ist, beispielsweise mit Schrumpfsitz, auf einer Buchse 28 eines mit der Welle 24 verbundenen Halterungsaufsatzes 30 angeordnet. Zwischen der Lagerhülse 22 und dem Halterungsaufsatz 30 ist eine Stoßpufferscheibe 34 vorgesehen. Ein Spiel zwischen der Welle 24 und demA bearing sleeve 22 extends coaxially from the front wall 16 of the housing 12 into the cavity formed by the side wall 14. A shaft 24 is rotatably mounted in the bearing sleeve 22. A rotor 26 formed from a stack of several thin lamellae made of magnetic material is arranged, for example with a shrink fit, on a bushing 28 of a mounting attachment 30 connected to the shaft 24. A shock buffer disk 34 is provided between the bearing sleeve 22 and the mounting attachment 30. A play between the shaft 24 and the

Rotor 26 wird durch eine Sicherungsscheibe 36, die auf der Welle 24 sitzt und gegen die Außenfläche der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 drückt, verhindert.Rotor 26 is prevented by a locking washer 36 which sits on the shaft 24 and presses against the outer surface of the end wall 16 of the housing 12.

An der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 ist eine Abschlußkappe 38 befestigt Die Abschlußkappe 38 und s die Stirnwand 16 legen einen dazwischenliegenden Hohlraum 42 fest Im Hohlraum 42 ist ein ein Schmiermittel aufnehmender Stoff 44, welcher die Lagerhülse 22 mit Schmiermittel versorgt, vorgesehen. An der Innenfläche der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 ist ein becherförmiges, das innere Ende der Buchse 28 umgebendes Teil 46 befestigt Schmiermittel, das von der Lauffläche der Welle 24 in den zwischen der Lagerhülse 22 und der Buchse 28 liegenden Raum eintritt, wird in das becherförmige Teil 46 abgezogen und gelangt durch die in der Stirnwand 16 des Gehäuses 12 vorgesehenen Zugänge 48 wieder zu dem das Schmiermittel aufnehmenden Stoff 44.An end cap 38 is attached to the end wall 16 of the housing 12. The end cap 38 and the end wall 16 define a cavity 42 between them. A lubricant-absorbing material 44, which supplies the bearing sleeve 22 with lubricant, is provided in the cavity 42. A cup-shaped part 46 surrounding the inner end of the bushing 28 is attached to the inner surface of the end wall 16 of the housing 12. Lubricant that enters the space between the bearing sleeve 22 and the bushing 28 from the running surface of the shaft 24 is drawn off into the cup-shaped part 46 and returns to the lubricant-absorbing material 44 through the accesses 48 provided in the end wall 16 of the housing 12.

Nahe der Außenfläche 54 des Rotors 26 sind Läuferkäfigstangen 50 in Nuten 52 vorgesehen. Die Läuferkäfigstangen 50 werden durch Bundringe 53, 55 miteinander verbunden. Die Läuferkäfigstangen 50 sowie die Bundringe 53,55 bestehen üblicherweise aus Spritzgußaluminium.Rotor cage bars 50 are provided in grooves 52 near the outer surface 54 of the rotor 26. The rotor cage bars 50 are connected to one another by collar rings 53, 55. The rotor cage bars 50 and the collar rings 53, 55 are usually made of injection-molded aluminum.

Der Statorblechkranz 18 weist ein ringförmiges Joch 57 mit mehreren sich vom Joch 57 radial nach innen erstreckenden Spaltpolen 58 auf. Üblicherweise hat der Motor 10 zwei, vier oder sechs in gleichem Winkelabstand angeordnete Spaltpole 58. Er ist demgemäß als Zwei-, Vier- oder Sechspolmotor ausgestaltet Auf den v> Polen 58 sind Feldwicklungen 60 vorgesehen. An der Seitenwand 14 des Gehäuses 12 ist ein Deckel 56 vorgesehen, durch dessen mittige Öffnung der Bundring 55 und die Welle 24 herausragen.The stator lamination ring 18 has an annular yoke 57 with a plurality of split poles 58 extending radially inward from the yoke 57. The motor 10 usually has two, four or six split poles 58 arranged at the same angular distance. It is accordingly designed as a two-, four- or six-pole motor. Field windings 60 are provided on the v> poles 58. A cover 56 is provided on the side wall 14 of the housing 12, through the central opening of which the collar ring 55 and the shaft 24 protrude.

Gemäß Fig.2 weist jeder Spaltpol 58 einen bogenförmigen Polflächenabschnitt 62 auf. Dieser Polflächenabschnitt 62 legt zusammen mit der zylindrischen Außenfläche 54 des Rotors 26 einen in radialer Richtung gleichförmigen Luftspalt 64 fest Ein durch den Polflächenabschnitt 62 durchgehender, und somit mit dem Luftspalt in Verbindung stehender Schlitz 66 ist zur Aufnahme einer Kurzschlußspule 68 vorgesehen.According to Fig. 2, each gapped pole 58 has an arcuate pole face section 62. This pole face section 62, together with the cylindrical outer surface 54 of the rotor 26, defines an air gap 64 that is uniform in the radial direction. A slot 66 that runs through the pole face section 62 and is thus connected to the air gap is provided for accommodating a short-circuit coil 68.

Weiterhin weist jeder Spaltpol 58 einen abgeschrägten Polflächünabschnitt 70 auf. Letzteres Merkmal ist ausführlich in der US-PS 27 73 999 des Anmelders beschrieben. Dieser abgeschrägte Polflächenabschnitt 70 stellt jedoch nicht das Wesen der Erfindung dar.Furthermore, each gapped pole 58 has a beveled pole face portion 70. The latter feature is described in detail in applicant's US Pat. No. 2,773,999. However, this beveled pole face portion 70 does not represent the essence of the invention.

Bei der bisher beschriebenen Konstruktion für einen Spaltpolinduktionsmotor handelt es sich um einen üblichen derartigen Elektromotor.The design for a shaded pole induction motor described so far is a typical electric motor of this type.

Die bisher bekannten einlagerigen Kleinstmotoren verwenden Luftspaltbreiten, die nicht kleiner als 0,203 mm, gewöhnlich 0,229 mm oder 2£41 mm oder größer sind. Warum bisher kleinere Luftspaltbreiten nicht verwendet wurden, wurde bereits dargelegt Demgegenüber sieht die Erfindung einen Luftspalt 64 vor, dessen Breite zwischen 0,025 mm und 0,152 mm, vorzugsweise zwischen 0,051 mm und 0,102 mm liegtThe single-bearing miniature motors known to date use air gap widths that are not smaller than 0.203 mm, usually 0.229 mm or 2£41 mm or larger. Why smaller air gap widths have not been used to date has already been explained. In contrast, the invention provides an air gap 64 whose width is between 0.025 mm and 0.152 mm, preferably between 0.051 mm and 0.102 mm.

Im Falle eines bekannten Spaltpolinduktionsmotors mit einer Ausgangsleistung von 2 Watt wurde bisher beispielsweise ein Stator mit einem Durchmesser von 81,31 mm und einer Breite von 12,7 mm, ein Rotor mit einem Durchmesser von 4436 mm ur,£ ein Luftspalt von ungefähr 0,229 mm vorgesehen. Verwendet man dagegen gemäß der Erfindung einen Luftspalt zwischen 0,051 mm und 0,102 mm, so erhält man einen erheblich besseren Motor mit der gleichen Ausgangsleistung, wobei cter Stator einen Durchmesser von 60,22 mm und eine Breite von 10,67 mm sowie einen Rotor mit einem Durchmesser von 28342 mm hat Daraus ergibt sich, daß der erfindungsgemäße Motor mit einer zwischen 0,025 mm und 0,152 mm liegenden Lukspaitbreite ein zwischen ca. 0,0009 bis 0,005 liegendes Verhältnis von Luftspaltbreite zu Rotordurchmesser aufweist Demgegenüber liegen bei den bekannten Motoren, die dieses Verhältnis erfüllen, die Luftspaltbreiten weit über 0,152 mm; sie liegen nämlich bei 0,25 mm und darüber. Das Verhältnis der Materialkosten zwischen den bekannten, größeren Motoren und den neuen, von der Erfindung, das heißt vom äußerst extrem kleinen Luftspalt Gebrauch machenden Motor liegt In der Größenordnung von 3 :1.In the case of a known shaded pole induction motor with an output power of 2 watts, for example, a stator with a diameter of 81.31 mm and a width of 12.7 mm, a rotor with a diameter of 4436 mm and an air gap of approximately 0.229 mm were previously provided. If, however, an air gap of between 0.051 mm and 0.102 mm is used according to the invention, a considerably better motor with the same output power is obtained, with the stator having a diameter of 60.22 mm and a width of 10.67 mm and a rotor with a diameter of 28342 mm. This means that the motor according to the invention with an air gap width of between 0.025 mm and 0.152 mm has a ratio of air gap width to rotor diameter of between approximately 0.0009 and 0.005. In contrast, in the known motors which meet this ratio, the air gap widths are far greater than 0.152 mm; they are 0.25 mm and more. The ratio of material costs between the known, larger motors and the new motor which uses the invention, i.e. the extremely small air gap, is in the order of 3:1.

Die Anwendung der erfinderischen Lehre ermöglicht es ober auch, bei gleichem Induktionskleinstmotor wie früher, jedoch nun mit äußerst kleinem Luftspalt eine beachtliche Leistungserhöhung zu ei zielen und damit einhergehend die Eingangsleistung verringern bzw. Energie sparen zu können. - ■The application of the inventive teaching also makes it possible to achieve a considerable increase in performance with the same micro induction motor as before, but now with an extremely small air gap, and thus to be able to reduce the input power and save energy. - ■

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Einlageriger Induktionskleinstmotor mit aus nach innen vorstehenden Polen aufgebautem Statorblechkranz, koaxial in der Statorbohning drehbar gelagertem Rotor und durch die Rotoraußenfläche und Polinnenfläche festgelegten radialen Luftspalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalte (64) in radialer Richtung etwa 0,025 mm bis 0,152 mm breit sind und das Verhältnis von Luftspaltbreite zu Rotordurchmesser etwa 0,0009 bis 0,005 ist1. Single-bearing induction miniature motor with a stator lamination made up of inwardly projecting poles, a rotor mounted coaxially in the stator bore and radial air gaps defined by the rotor outer surface and the pole inner surface, characterized in that the air gaps (64) are approximately 0.025 mm to 0.152 mm wide in the radial direction and the ratio of air gap width to rotor diameter is approximately 0.0009 to 0.005

2. Kleinstmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspaltbreite in radialer is Richtung zwischen etwa 0,051 mm und 0,102 mm liegt und das Verhältnis von Luftspaltbreite zu Rotordurchmesser zwischen 0,0018 und 0,0035 liegt2. Micromotor according to claim 1, characterized in that the air gap width in the radial direction is between approximately 0.051 mm and 0.102 mm and the ratio of air gap width to rotor diameter is between 0.0018 and 0.0035